xxiii πανελληνιο ÏƒÏ Î½ÎµÎ´ÏÎ¹Î¿ Ï†Ï ÏƒÎ¹ÎºÎ·Ï‚ στερεας καταστασης & επιστημης ...

Νανοτραχύτητα κατά την εγχάραξη με πλάσμα επιφανειών Si και πολυμερών: Θεωρία,
πείραμα και εφαρμογές
Μ. Βλαχοπούλου, Ν. Βούρδας, Γ. Κόκκορης, Β. Κωνσταντούδης, Γ. Μπουλούσης, Α. Τσερέπη, Ε. Γογγολίδης
Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής, ΕΚΕΦΕ-«Δημόκριτος», Τ.Θ. 62230, 153 10 Αγία Παρασκευή Αττικής
vconst@imel.demokritos.gr
Εισαγωγή: Η εγχάραξη με πλάσμα αποτελεί μία από τις βασικότερες και πιο συχνά χρησιμοποιούμενες τεχνικές για τη
σχηματοποίηση επιφανειών στην μικρο και νανοκλίμακα. Ωστόσο, πολλές φορές η διεργασία της εγχάραξης επάγει τραχύτητα
στις επιφάνειες της δομής που εγχαράσσεται η οποία επηρεάζει τη φυσική και χημική συμπεριφορά της. Στόχος της εργασίας
αυτής είναι πρώτα να διερευνήσει την εμφάνιση και εξέλιξη της τραχύτητας σε επιφάνειες Si και πολυμερών (PMMA, PDMS).
Στο Si με τη βοήθεια στοχαστικής προσομοίωσης θα αναζητηθεί ο μηχανισμός δημιουργίας της τραχύτητας, ενώ στα πολυμερή
θα παρουσιασθούν εφαρμογές της κυρίως στην τροποποίηση των φαινομένων διαβροχής των επιφανειών.
Εγχάραξη επιφανειών Si : Πείραμα και προσομοιώσεις [1].
Επιφάνειες Si εγχαράχθηκαν με πλάσμα SF 6 σε αντιδραστήρα επαγωγικής σύζευξης (ALCATEL MET system). Η ροή εισόδου
του SF 6 στον αντιδραστήρα ήταν 176 sccm, η πίεση σταθερή ίση 5 Pa, η ισχύς της πηγής 1800W, η τάση -55V, ενώ η
θερμοκρασία του δισκίου διατηρούνταν σταθερή στους 15 ο C. Η μορφολογία της εγχαρασσόμενης επιφάνειας Si μετρήθηκε σε
διάφορες χρονικές στιγμές από τις οποίες δύο δείχνονται στο σχ.1 μαζί με τις συναρτήσεις κατανομής των υψών τους.
80000
80000
70000
60000
50000
40000
30000
20000
10000
tail due
to bumps
60000
40000
20000
tail due
to bumps
heig ht
(a) ( b)
Σχήμα 1: Επιφάνειες Si μετά από εγχάραξη με πλάσμα SF 6 4min (a) και 16min (b) μαζί με τις κατανομές των υψών τους.
Παρατηρούμε ότι οι επιφάνειες Si εμφανίζουν κατά τη διάρκεια της εγχάραξης εξογκώματα (βελόνες) πάνω στην
γκαουσσιανή τραχύτητα του υποβάθρου τα οποία εκδηλώνονται στις «ουρές» των συναρτήσεων κατανομής. Παρατηρούμε
επίσης ότι όσο προχωράει η εγχάραξη τα εξογκώματα αραιώνουν, διαπλατύνονται και γίνονται ψηλότερα. Οι ποιοτικές αυτές
παρατηρήσεις μπορούν να ποσοτικοποιηθούν από την τυπική απόκλιση w των υψών της επιφάνειας από τη μέση τιμή τους και
από τη συνάρτηση συσχέτισης υψών G(r) που υπολογίζεται από τη σχέση
2 1
G ( r)
=
N ( N − r)
N
N
−r
∑∑
m=
1 n=
1
[ h(
n + r,
m)
− h(
n,
m)]
όπου h(n,m) το μετρούμενο ύψος της επιφάνειας από το AFM στο σημείο (n,m) και ΝxΝ ο συνολικός αριθμός των σημείων
μέτρησης του AFM (στις μετρήσεις μας Ν=512). Δείχνεται ότι G(r→∞)=√2 w, ενώ το μήκος συσχέτισης ξ της επιφάνειας δίνεται
από την G(ξ)=0.8G(r→∞). Στο σχήμα 2α φαίνονται τα w,ξ συναρτήσει του χρόνου εγχάραξης ενώ στο σχ.2β οι αντίστοιχες
συναρτήσεις συσχέτισης G(r). Η τυπική απόκλιση των υψών αυξάνει σχεδόν υπεργραμμικά με το χρόνο, ενώ το ξ γραμμικά. Το
πρώτο οφείλεται στην ταυτόχρονη αύξηση του ύψους και του πλάτους των εξογκωμάτων στην επιφάνεια, ενώ το δεύτερο δίνει
ένα μέτρο της αύξησης του πλάτους τους. Ωστόσο, τo πιο ενδιαφέρον χαρακτηριστικό είναι η αύξηση της G(r) με το χρόνο στα
μικρά r. Αυτή οφείλεται στις έντονες τοπικές διακυμάνσεις που προκαλούν τα εξογκώματα των επιφανειών. Η συμπεριφορά αυτή
κατατάσει την εξέλιξη της εγχαρασσόμενης τραχύτητας του Si στην κατηγορία της ανώμαλης κινητικής τραχύτητας που τα
τελευταία χρόνια αποτελεί αντικείμενο εντατικής μελέτης τόσο για την θεωρητική περιγραφή της όσο και για τις ενδιαφέρουσες
εφαρμογές της αν και μένει ανοιχτό το θέμα του εντοπισμού των μηχανισμών που την προκαλούν.
rms & corellation length (nm)
250
200
150
100
50
0
rms
corellation length (ξ)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
time (min)
0
-20 0 20 40 60 80 100
2
hill
ions
+ + +
valley
ions
“hard” inhibitors
0
-2 - 00 100 0 100 200 300 400 500
height (nm)
valleys
“hard” inhibitors
ions
“hard” inhibitors
(α) (β)
(γ)
Σχήμα 2: α) Η τυπική απόκλιση w(t) (rms) και το μήκος συσχέτισης ξ(t), β) η συνάρτηση συσχέτισης υψών G(r) για διάφορους
χρόνους εγχάραξης, και γ) ο μηχανισμός ερμηνείας της ανώμαλης τραχύτητας και της εμφάνισης των εξογκωμάτων.
hills
55